Mechanik · Akustik und Wärmelehre

356 Pages·1955·19.04 MB·German

by  Robert Wichard Pohl (auth.)

MECHANIK· AKUSTIK
UND WÄRMELEHRE
VON
ROBERT WICHARD POHL
EM. PROFESSOR DER PHYSIK
AN DER UNIVERSITAT GÖTTINGEN
DREIZEHNTE VERBESSERTE AUFLAGE
MIT 575 ABBILDUNGEN
DARUNTER 15 ENTLEHNTEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1955
ISBN 978-3-662-42609-8 ISBN 978-3-662-42608-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-42608-1
ALLE RECHTE,
INSBESONDERE DAS DER ÜBERSETZUNG IN FREMDE SPRACHEN,
VORBEHALTEN
OHNE AUSDRÜCKLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES
IST ES AUCH NICHT GESTATTET, DIESES BUCH ODER TEILE DARAUS
AUF PHOTOMECHANISCHEM WEGE (PHOTOKOPIE, MIKROKOPIE) ZU VERVIELFÄLTIGEN
COPYRIGHT 1930, 1931, 1942, 1947, 1953 AND 1955 BY SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG
URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI SPRINGER-VERLAG OHG.
IN BERLIN, GÖTTINGEN AND HEIDELBERG 1955
MEINER LIEBEN FRAU
TUSSA POHL
GEB. MADELUNG
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage.
(1930)
Dies Buch enthält den ersten Teil meiner Vorlesung über Experimentalphysik.
Die Darstellung befleißigt sich großer Einfachheit. Diese Einfachheit soll dasBuch
außer für Studierende und Lehrer auch für weitere physikalisch interessierte
Kreise brauchbar machen.
Die grundlegenden Experimente stehen im Vordergrund der Darstellung. Sie
sollen vor allem der Klärung der Begriffe dienen und einen Überblick über die
Größenordnungen vermitteln. Quantitative Einzelheiten treten zurück.
Eine ganze Reihe von Versuchen erfordert einen größeren Platz. Im Göttinger
Hörsaal steht eine glatte Parkettfläche von 12 X 5 m2 zur Verfügung. Das lästige
Hindernis in älteren Hörsälen, der große, unbeweglich eingebaute Experimentier
tisch, ist schon seit Jahren beseitigt. Statt seiner werden je nach Bedarf kleine
Tische aufgestellt, aber ebensowenig wie die Möbel eines Wohnraumes in den Fuß
boden eingemauert. Durch diese handlichen Tische gewinnt die Übersichtlichkeit
und Zugänglichkeit der einzelnen Versuchsanordnungen erheblich. Die meisten
Tische sind um ihre vertikale Achse schwenkbar und rasch in der Höhe verstell
bar. Man kann so die störenden perspektivischen Überschneidungen\ erschiedener
Anordnungen verhindern. Man kann die jeweils benutzte Anordnung bPrvorheben
und sie durch Schwenken für jeden Hörer in bequemer Aufsicht sichtbar machen.
Die benutzten Apparate sind einfach und wenig zahlreich. Manche von ihnen
werden hier zum ersten Male beschrieben. Sie können, ebenso wie die übrigen
Hilfsmittel der Vorlesung, von der Firma Spindler & Hoyer, G.m.b.H. in Göt
tingen, bezogen werden.
Der Mehrzahl der Abbildungen liegen photographische Aufnahmen zugrunde.
Viele Bilder sind als Schattenrisse gebracht. Diese Bildform eignet sich gut für
den Buchdruck, ferner gibt sie meist Anhaltspunkte für die benutzten Abmessun
gen. Endlich erweist ein Schattenriß die Brauchbarkeit eines Versuches auch in
großen Sälen. Denn diese verlangen in erster Linie klare Umrisse, nirgends unter
brochen durch nebensächliches Beiwerk, wie Stativmaterial u. dgl.
Aus dem Vorwort zur zwölften Auflage.
(1953)
Alle Gleichungen sind als Größengleichungen mit vier Grundgrößen geschrie
ben, d.h. es wird außer drei mechanischen die thermische der Temperatur benutzt.
Ich verzichte also in der Wärmelehre auf die (ja meist stillschweigend vorgenom
mene) Einführung einer fünften Grundgröße, nämlich der Stoffmenge Z, und
benutze die Mole als individuelle Masseneinheiten. Ich sehe keinen Vorteil darin,
neben dem spezifischen Volumen~= Volumen V/Masse M noch die weitere Größe
Molvolumen V= Volumen V/ Stoffmenge Z einzuführen. Mir genügt z.B. für Zim
merluft die Angabe des spezifischen Volumen ~ = 0,776 m3jkg = 22,4 Literjmol.
Endlich habe ich mich bemüht, vieldeutige Worte, wie z. B. Masse und Menge,
immer nur in derselben Bedeutung zu bringen und alle abgeleiteten Größen und
ihre Einheiten durch Gleichungen zu definieren. Dabei möchte ich besonders auf
die zweite Hälfte des § 16 hinweisen.
Vorwort zur dreizehnten Auflage.
Nach der gründlichen Überarbeitung des Textes für die 12. Auflage genügten
diesmal geringfügige Änderungen und Berichtigungen, z. B. S. 113 u. 266. Vor dem
Text ist jetzt ebenso wie in den beiden anderen Bänden ein ausführliches Inhalts
verzeichnis eingefügt worden, weil die Anordnung des Stoffes in manchem von
der üblichen abweicht. So werden z. B. Interferenz und Beugung ausführlich in
diesem Bande an Hand mechanischer Wellen behandelt und in der Optik nur
noch durch Einzelheiten ergänzt. - Die Atomphysik ist nach wie vor auf die
drei Bände verteilt geblieben. Die Gründe dafür sind im Vorwort des Optik
Bandes (IX. Aufl.) angegeben worden.
Göttingen, März 1955
R. W. Pohl.
Inhaltsverzeichnis.
A. Mechanik.
Seite
Über die Schreibweise der Gleichungen XII
I. Einführung, Längen- und Zeitmessung . . .
Einführung S. 1. -Messung von Längen. Echte Längenmessung S. 2. - Erhal
tung der Längeneinheit S. 3.-Unechte Längenmessung bei sehr großen Längen
s.-
S. 4. -Winkelmessung S. Zeitmessung. Echte Zeitmessung. Registrierung
S. 6.-Moderne Uhren; persönliche Gleichung S. 7. -Periode und Frequenz.
Stroboskopische Messungen S. 8. - Unechte Zeitmessung. Grundsätzliche
Schwierigkeiten unserer heutigen Zeitmessung S. 9.
II. Darstellung von Bewegungen, Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Definition von Bewegung. BezugssystemS. 10.-Definition von Geschwindig
keit. Beispiel einer Geschwindigkeitsmessung S. 10.-Definition von Beschleuni
gung. Die beiden Grenzfälle S.12.-Bahnbeschleunigung, gerade Bahn. S. 13.
Konstante Radialbeschleunigung, Kreisbahn S. 15. - Grundgrößen und abge
leitete Größen S. 17.
111. Grundlagen der Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Übersicht. Kraft und Masse S. 19. - Meßverfahren für Kraft und Masse.
Die Grundgleichung der Mechanik S. 21. - Einheiten von Kraft und Masse.
Größengleichungen S. 23. - Körper und Menge S. 24. - Dichte und spezifisches
Volumen. S. 24.
IV. Anwendung der Grundgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Anwendung der Grundgleichung auf konstante Beschleunigungen in gerader
Bahn S. 26. - Anwendung der Grundgleichung auf die Kreisbahn. Radialkraft
S. 28. - Das D'ALEMBERTsche Prinzip S. 31. - Einfache Sinusschwingungen.
Schwerependel als Sonderfall S. 32. - Zentralbewegungen, Definition S. 34. -
Ellipsenbahnen, elliptisch polarisierte Schwingungen S. 35. - Lissajous-Bahnen
S. 38. - Die Kepler-Ellipse und das Gravitationsgesetz S. 39. - Die Konstante
des Gravitationsgesetzes S. 40. - Grundsätzliches zur Messung der Masse S.42.
Gravitationsgesetz und Himmelsmechanik S. 42.
V. Hilfsbegriffe. Arbeit, Energie, Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Vormerkung S. 45.-Arbeit und LeistungS. 45.-Energie und Energiesatz
S. 47. - Erste Anwendungen des mechanischen Energiesatzes S. 49- - Kraft
stoß und Impuls S. 49. - Der Impulssatz S. so.-Erste Anwendungen des Impuls
satzes S. 51. - Impuls und Energiesatz beim elastischen Zusammenstoß von
Körpern S. 52. - Der Impulssatz beim unelastischen Zusammenstoß zweier
Körper und das Stoßpendel S. 53. - Das Stoßpendel als Urbild der ballistischen
Meßinstrumente. Stoßgalvanometer, Messung einer Stoßdauer S. 54. - Bewe
gungen gegen energieverzehrende Widerstände S. 56. - Erzeugung von Kräften
ohne und mit Leistungsaufwand S. 58.- Schlußbemerkung S. 59.
VI. Drehbewegung fester Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Vorbemerkung S. 60. - Definition des Drehmoments S. 60. - Herstellung
bekannter Drehmomente. Die Winkelrichtgröße D*. ·Die Winkelgeschwindigkeit w
als VektorS. 62.-Trägheitsmoment, Drehschwingungen S. 63.- Das physika
lische Pendel und die Balkenwaage S. 66. - Der Drehimpuls (Drall) S. 67. -
Freie Achsen S. 70.-Freie Achsen bei Mensch und TierS. 53.-Definition des
Kreisels und seiner drei Achsen S. 72. - Die Nutation des kräftefreien Kreisels
und sein raumfester Drehimpuls S. 73. - Kreisel unter Einwirkung von Dreh
momenten; die Präzession der Drehimpulsachse S. 75. - Präzessionskegel mit
Nutationen S. 78. - Kreisel mit nur zwei Freiheitsgraden S. 79. - Schlußbe
merkung S. 81.
VIII Inhaltsverzeichnis
Seite
VII. Beschleunigte Bezugssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Vorbemerkung. Trägheitskräfte S. 82. - Bezugssystem mit reiner Bahn
beschleunigung S. 83. - Bezugssystem mit reiner Radialbeschleunigung. Zen
trifugal- und Corioliskraft S. 85. - Unsere Fahrzeuge als beschleunigte Bezugs
systeme S. 89. - Das Schwerependel als Lot in beschleunigten Fahrzeugen
S. 91. - Die Erde als beschleunigtes Bezugssystem: Zentrifugalbeschleunigung
ruhender Körper S. 92. - Die Erde als beschleunigtes Bezugssystem: Coriolis
beschleunigung bewegter Körper S. 94. - Der Kreiselkompaß in Fahrzeugen und
seine prinzipiell unvermeidliche Mißweisung S. 95.
VIII. Einige Eigenschaften fester Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Vorbemerkung S. 89.-Kraft und Verformung. Tatsachen und Definitionen.
HooKEsches Gesetz und PorssoNsche Beziehung S. 99. - Normalspannung
und Schubspannung S. 102. - Biegung, Knickung und Drillung S. 104. -
Elastische Nachwirkung und Hysteresis S. 108. - Zerreißfestigkeit und spezifi
sche Oberflächenarbeit fester Körper S. 109. - Äußere Reibung S. 111.
IX. Über ruhende Flüssigkeiten und Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Die freie Verschieblichkeit der Flüssigkeitsmoleküle S. 114. -Druck in Flüs
sigkeiten, Manometer S. 116. - Allseitigkeit des Druckes und Anwendungen
S. 117. - Druckverteilung im Schwerefeld und Auftrieb S. 119. - Der Zusam
menhalt der Flüssigkeiten, ihre Zerreißfestigkeit, spezifische Oberflächenarbeit
und Oberflächenspannung S. 121.-Gase und Dämpfe als Flüssigkeiten geringer
Dichte ohne Oberfläche. BoYLE-MARIOTTEsches Gesetz S. 126. -Modell eines
Gases. Der Gasdruck als Folge einer Wärmebewegung S. 127.-Grundgleichung
der kinetischen Gastheorie. Geschwindigkeit der Gasmoleküle S. 128. - Die
Lufthülle der Erde. Der Luftdruck in Schauversuchen S. 129.-Druckverteilung
der Gase im Schwerefeld. Barometerformel S. 132. - Der statische Auftrieb in
Gasen S. 133. - Gase und Flüssigkeiten in beschleunigten Bezugsystemen
S. 134.- Rückblick. Was heißt Kraft? S. 137.
X. Bewegungen in Flüssigkeiten und Gasen 139
Drei Vorbemerkungen S. 139.-Innere Reibung und Grenzschicht S. 139.
Schlichte, unter entscheidender Mitwirkung der Reibung entstehende Bewegung
S. 141.-Die REYNOLossche Zahl S. 142.-Reibungsfreie Flüssigkeitsbewegung,
BERNOULLrsche Gleichung. S 144. - Ausweichströmung. Quellen und Senken,
drehungsfreie oder Potentialströmung S. 14 7. - Drehungen von Flüssigkeiten und
ihre Messung. Das drehungsfreie Wirbelfeld S. 149.-Wirbel und Trennungsflä
chen in praktisch reibungsfreien Flüssigkeiten S. 1 52. - Widerstand und Strom
linienprofil S. 154. - Die dynamische Querkraft S. 156. - Anwendungen der
Querkraft S. 158.
B. Akustik.
XI. Schwingungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Vorbemerkung S. 161.-Erzeugung ungedämpfter Schwingungen S. 161. -
Darstellung nichtsinusförmiger Schwingungsvorgänge mit Hilfe von Sinusschwin
gungen S. 163.-Spektraldarstellung verwickelter Schwingungsformen S. 167.
Allgemeines über elastische Eigenschwingungen von beliebig gestalteten festen
Körpern S. 169.-Elastische Transversalschwingungen gespannter linearer fester
Körper S. 170. - Elastische Longitudinal-und Torsionsschwingungen gespannter
linearer fester Körper S. 1 72. - Elastische Schwingungen in Säulen von Flüssig
keiten und Gasen S. 174. - Eigenschwingungen starrer linearer Körper. Biege
schwingungen S. 177.-Eigenschwingungen flächenhaft und räumlich ausgedehn
ter Gebilde. Wärmeschwingungen S. 177.-Erzwungene Schwingungen S. 178.
Die Resonanz in ihrer Bedeutung für den Nachweis einzelner Sinusschwingungen.
SpektralapparatS. 182.-Die Bedeutung erzwungener Schwingungen für die ver
zerrungsfreie Aufzeichnung nichtsinusförmiger Schwingungen. Registrierappa
rateS. 184.-Verstärkung von Schwingungen S. 185.-Zwei gekoppelte Pendel
und ihre erzwungenen Schwingungen S. 186.-Wackelschwingungen S. 187.
Relaxations- oder Kippschwingungen S. 188.
XII. Fortschreitende Wellen und Strahlung ................... 190
Fortschreitende Wellen S. 190. - Interferenz S. 192. - Stehende Wellen
S. 193. -Ausbreitung der Wellen S. 194.-Das FRESNEL-HUYGHENSsche Prinzip
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
S. 198. - Entstehung von Longitudinalwellen. Ihre Geschwindigkeit S. 200. -
Stehende Longitudinalwellen der Luft im freien Schallfeld S. 201. - Schallindika
toren. Strahlungsdruck des Schalles. Schallradiometer S. 203.- Reflexion, Bre
chung, Beugung und Interferenz freier Schallwellen S. 204. -Die Entstehung von
Wellen auf der Oberfläche von Flüssigkeiten S. 209. - Dispersion und Gruppen
geschwindigkeit S. 212. - Die Umwandlung unperiodischer Vorgänge in Wellen
S. 215. - Energie des Schallfelde s. Schallwellenwiderstand S. 21 7. - Schall
S. 219.- Schallempfänger S. 221.-Bewegte Sender und EmpfängerS. 222.
Vom Hören S. 223. - Phonometrie S. 225. - Das Ohr S. 228.
C. Wärmelehre.
XIII. Grundbegriffe . . . . . . . . ............. 231
Vorbemerkungen. Einige chemische Begriffe S. 231. - Eine neue Grund
größe, die Temperaturund ihre MessungS. 233.-Wärmemenge, spezifische Wärme
und Wärmekapazität S. 235.-Wärmemenge als Energie. Erhaltung der Energie
S. 236. - Latente Wärme S. 238.
XIV. I. Hauptsatz und Zustandsgleichungen idealer Gase 241
Ausdehnungsarbeit und technische Arbeit S. 241. - Thermische Zustands
größen S. 242.-Innere Energie U und erster Hauptsatz S. 243. -Die Zustands
größe Enthalpie j S. 244.-Die beiden spezifischen Wärmen cp und Cv S. 245.
Thermische Zustandsgleichung idealer Gase. Absolute Temperatur S. 248. -Be
stimmung des Molekulargewichtes (M) aus der Dampfdichte (! S. 251.-Kalorische
Zustandsgleichungen der idealen Gase. GAY -LussAcscher Drosselversuch S. 252.
Zustandsänderungen idealer Gase S. 254. - Anwendungsbeispiele für polytrope
und adiabatische Zustandsänderungen. Messungen von = cpfcv S. 258.
XV. Reale Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... 261
Zustandsänderungen realer Gase und Dämpfe S. 261. - Unterscheidung von
Gas und Flüssigkeit S. 262. - Die V AN DER WAALssche Zustandsgleichung realer
GaseS. 264. -Der JouLE-THOMSONsche Drosselversuch S. 266. -Herstellung
kleiner Temperaturen und Gasverflüssigung im Laboratorium S. 267. - Tech
nische Verflüssigung und Entmischung von Gasen S. 269. - Dampfdruck und
Temperatur. Tripelpunkt S. 270. - Behinderung des Phasenwechsels flüssig~
fest. Unterkühlte Flüssigkeiten S. 271. -Behinderung des Phasenwechsels flüs
sig~ dampfförmig. Zerreißfestigkeit der Flüssigkeiten S. 272.
XVI. Wärme als ungeordnete Bewegung ..................... 274
Die Temperatur im molekularen Bilde S. 274. - Rückstoß der Gasmoleküle
bei der Reflexion. Radiometerkraft S. 276. - Geschwindigkeitsverteilung und
mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle S. 277.- Spezifische Wärmen im mole
kularen Bilde. Das Gleichverteilungsprinzip S. 278. - Osmose undosmotischer
Druck S. 281. -Physikalische Moleküle. Experimentelle Bestimmung der
BoLTZMANNschen Konstanten k und der spezifischen Molekülzahl N S. 284. -
Bestimmung der BoLTZMANNschen Konstanten k aus der BROWNschen Bewegung
S. 286. - Die thermisch bedingte Empfindlichkeitsgrenze von Meßinstrumenten
S. 287.- Statistische Schwankungen und Individuenzahl S. 288. - Das BoLTZ
MANNselle Theorem S. 289.
XVII. Transportvorgänge, insbesondere Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Vorbemerkung S. 291. - Diffusion und Durchmischung S. 291. - I. FrcK
sches Gesetz und Diffusionskonstante S. 291.-Nichtstationäre Diffusion S. 294.
Allgemeines über Wärmeleitung und Wärmetransport S. 295. - Stationäre
Wärmeleitung S. 297. - Nichtstationäre Wärmeleitung S. 297. - Die Trans
portvorgänge in Gasen und ihre Unabhängigkeit vom Druck S. 298. - Bestim
mung der mittleren freien Weglänge S. 300.-Wechselseitige Verknüpfung der
Transportvorgänge in Gasen S. 301.
XVIII. Die Zustandsgröße Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Reversible Vorgänge S. 304. -Irreversible Vorgänge S. 305.-Messung der
Irreversibilität mit Hilfe der Zustandsgröße Entropie S S. 306. - Die Entropie
im molekularen Bild S. 309. -Beispiele für die Berechnung von Entropien S.31 o.
Anwendung der Entropie auf reversible Zustandsänderungen in abgeschlossenen
X Inhaltsverzeichnis.
Seite
Systemen S. 313. - Das ]5- oder MoLLIER-Diagramm nebst Anwendungen.
Gasströmung mit Überschallgeschwindigkeit S. 315. - Das ]5-Diagramm des
Wassers S. 318.
XIX. Umwandlung von Wärme in Arbeit. II. Hauptsatz .............. 320
Wärmekraftmaschinen und II. Hauptsatz S. 320.-DerHeißluftmotor S. 321.
Einschaltung: Verschiedene Ausführungsformen von Wärmekraftmaschinen
S. 323. - Wärmepumpe und Kältemaschine S. 325.- Die thermodynamische
Definition der Temperatur S. 327.-Erzeugung von Arbeit durch isotherme Vor
gänge und die Abhängigkeit dieser Arbeit von der Temperatur S. 327. - An
wendung der HELMHOLTzschen Gleichung S. 329. - Der Mensch als isotherme
Kraftmaschine S.330.-Weiteres über die Bedeutung der freien Energie S. 331.
Dimensionen physikalischer Größen S. 332.
Tafeln:
Periodisches System der Elemente 334
Längeneinheiten, Krafteinheiten, Druckeinheiten, Energieeinheiten 335
Molare Größen . . . 336
Wichtige Konstanten 337
Sachverzeichnis . . . 338